專利名稱：用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三相四橋 臂逆變器及包含該逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。.
背景技術(shù)：
由于能源危機、環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻等因素使越來越多的國家 卩始意識到加快可再生能源的開放利用才是應(yīng)對日益嚴(yán)重的能源和 環(huán)境問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。太陽能因其清潔、高效和永 不衰竭的特點成為可再生能源中最具活力的綠色能源。太陽能并網(wǎng)發(fā) 電技術(shù)將太陽能通過并網(wǎng)逆變裝置直接饋入電網(wǎng)，因其具有無需儲 能、結(jié)構(gòu)簡單等獨特優(yōu)勢，使其很快成為世界各國專家研究的熱點。 太陽能并網(wǎng)運行方式也迅速成為光伏應(yīng)用的一種主要方式。
光伏并網(wǎng)逆變器是太陽能發(fā)電與電網(wǎng)連接的橋梁，是光伏并網(wǎng) 發(fā)電系統(tǒng)的核心。在大功率并網(wǎng)電站i卞'均采川三相并網(wǎng)輸出方式，而 三相并網(wǎng)逆變器性能的優(yōu)劣是決定整個電站能否穩(wěn)定安全運行的關(guān) 鍵。三相光伏并網(wǎng)逆變器一般采用三個橋臂的結(jié)構(gòu)或者三個單相全橋 構(gòu)成的組合式三相逆變結(jié)構(gòu)，前者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于沒有中線，所以適用 于三相電網(wǎng)平衡的情況。但在電網(wǎng)質(zhì)量較差的地區(qū)，三相電網(wǎng)電壓往 往不均衡，波形畸變較大，此時，三相并網(wǎng)逆變器就會出現(xiàn)并網(wǎng)電流 諧波含量增加，系統(tǒng)效率降低，運行不穩(wěn)定，甚至不能正常工作等問 題。后者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然可以對三相不平衡電網(wǎng)正常輸送電能，但其線 路復(fù)雜，體積龐大，成本較高。

實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的問題是針對現(xiàn)有的光伏逆變器存在的上 述不足，提供一種高效率、高可靠性、對電網(wǎng)不平衡有很強適應(yīng)能力并使并網(wǎng)電流諧波含量極小的三相四橋臂逆變器及包含該逆變器的 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該三相四橋臂逆變器， 其輸入端與光伏陣列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的
橋臂(a、 b、 c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩個開關(guān)管(S,、 S4/S3、 S6/S5、 S2)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點為各橋臂的輸出端，該逆變器 還包括有與所述三個橋臂的兩端并聯(lián)的中性橋臂n，所述中性橋臂包 括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S7、 S8)，所述兩開關(guān)管(S7、 S8)的連接點構(gòu) 成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線相連。 優(yōu)選的是，該三相四橋臂逆變器還包括有儲能電容C，所述儲能 電容c并聯(lián)于三個橋鍔的輸入端，用于儲能、維持直流電壓的穩(wěn)定以
及濾波。.在光伏陣列和儲能電容C之間還可串接有防反沖二極管D。 .進一步優(yōu)選的是，該三相四橋臂逆變器還包括有三個濾波電感 (La、丄b、 L。)和中性線濾波電感Ln，所述三個濾波電感(La、 Lb、 Lc) 分別接于三個橋臂(a、 b、 c)的輸出端和三相電網(wǎng)的輸入端之伺， 所述中性線濾波電感L接在中性橋臂n的輸出端與三相電網(wǎng)的中性 線之間。
其中，中性線濾波電感^可以改善整個三相四橋臂逆變器的整 體濾波效果，抑制中線電流開關(guān)紋波，減小三相輸出電壓的總諧波失 真(THD)值。中性橋臂(也可叫做公用橋臂)可直接控制中性點電 壓，從而得到3個獨立電壓，具有固有的不平衡處理能力，中性橋臂 為不平衡電流和零序電流提供了通路，在電網(wǎng)不平衡條件下充分發(fā)揮 調(diào)節(jié)三相輸出不平衡的作用。
中性橋臂n以及中性線濾波電感^進行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)原理如下 圖1中的電路方程分別為式(1) 、(2)，表示為
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
式(1)為電壓回路方程，式(2)為電感電流回路方程。 其中f/。、 "、 R為三相四橋臂逆變器的輸出電壓，Za、 ！6、〈為三相輸出電流，e。、 ^、 e,為三相電網(wǎng)電壓，"為中性線電感電流， L為三相濾波電感；"為中性線濾波電感；
如果三相電網(wǎng)不平衡，則[6。
& "含有正序、負(fù)序和零序分量， 如式(3)，
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中K、《、巧是正序、負(fù)序、零序分量的幅值；"p、""、"。是 正序、負(fù)序、零序分量的相位值。
三個橋臂'a、 b、 c控制三相輸出電壓正序分量["。p ^ ~]和負(fù)
序分量[l K yj，以跟隨不平衡電網(wǎng)電壓的正序和負(fù)序分量。中
性橋臂n控制三相輸出i乜壓的零序分景["""(7"。""']',以跟隨不平衡
電網(wǎng)電壓的零序分量。其中，["叩^ "w]為三個橋臂a、 b、 c分別
與中性橋臂n之間的正序電壓；["。""J'為三個橋臂a、 b、c分別
與中性橋臂n之間的負(fù)序電壓；["。。^。
"^'為三個橋臂a、 b、 c分別
與中性橋臂n之間的零序電壓。
即式(4)，
<formula>formula see original document page 6</formula>利用本實用新型二相四橋臂逆變器進行光伏發(fā)電的過程如下 太陽能光伏電池陣列將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，通過防反沖二極管D 將電能存儲在儲能電容C中，儲能電容C放電釋放能量通過本實用新
型三相四橋臂逆變器逆變后輸出交流電能，再經(jīng)濾波電感并入電網(wǎng)。 一種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏并網(wǎng)逆變器，所述光伏并網(wǎng) 逆變器采用本實用新型上述的三相四橋臂逆變器。
該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還包括控制器、用于測量光伏陣列輸出電 壓和電流的直流采樣及調(diào)理電路、用于測量三相四橋臂逆變器輸出電 流的交流電流采樣及調(diào)理電路、對三相電網(wǎng)頻率和相位進行檢測的過 零檢測電路、用于測量三相電網(wǎng)電壓的交流電壓采樣及調(diào)理電路、以 及三相四橋臂逆變器的驅(qū)動電路，所述直流采樣及調(diào)理電路、交流電 流采樣及調(diào)理電路、過零檢測電路、交流電壓采樣及調(diào)理電路分別與所述控制器的輸入端相連，控制器的輸出端通過驅(qū)動電路與三相四橋 臂逆變器相連。
本實用新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只有一個能量變換環(huán) 節(jié)，提高了效率及系統(tǒng)可靠性，更加有利于調(diào)試和維護；如果電網(wǎng)電 壓三相不平衡，并網(wǎng)電流的每一相均能快速跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率、相 位和幅值的變化，對電網(wǎng)不平衡的情況有很強的適應(yīng)性，且對諧波也 有一定的抑制作用。
本實用新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將電網(wǎng)作為儲能系統(tǒng)，向其供電， 改善了電網(wǎng)的電能來源結(jié)構(gòu)，且由于其包含有三相四橋臂逆變器，對 電網(wǎng)不平衡有很好的適應(yīng)性，可靠性高。同時，由于充分利用太陽能
這一潔潔能源，可減少環(huán)境污染。

圖1是本實用新型三相四橋臂逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖 圖2是本實用新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖中C-儲能電容 D-防反沖二極管S「-S8-開關(guān)管La、 U、 U-濾波電感 中性線濾波電感a、b、c-橋臂rr-中性橋臂ea 、
e,,、 三相電網(wǎng)電壓 o-中性點 M—逆變主電路1---直流采樣及調(diào) 理電路 2-交流電流釆樣及調(diào)理電路 3-交流電壓采樣及調(diào)理電路 4--過零檢測電路5-驅(qū)動電路6-三相四橋臂逆變器 7-控制器
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細(xì)描述。
以下實施例為本實用新型的非限定性實施例。
圖1是本實用新型三相四橋臂逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖。該三相四 橋臂逆變器在傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器的基礎(chǔ)上增加一個中性橋臂 (公用橋臂)而形成的。如圖l所示，本實用新型三相四橋臂逆變器 包括防反沖二極管D、儲能電容C、逆變主電路M、三個濾波電感La、 U、 L。、中性線濾波電感；。
如圖1所示，逆變主電路M由八個開關(guān)管S,-S8組成，每個開關(guān)管由一個IGBT與一個二極管反并聯(lián)構(gòu)成，采用四組2單元封裝組成 的IGBT模塊構(gòu)成逆變主電路M，其中IGBT模塊可采用市售的三菱 CM150DX-24A，英飛凌FF100R12YT3，賽米控SKM100GB12T4等。
逆變主電路M中三個橋臂a、 b、 c的組成如下開關(guān)管Si、 S4 串聯(lián)組成A相橋臂a，開關(guān)管S3、 S6串聯(lián)組成B相橋臂b，開關(guān)管Ss、 S2串聯(lián)組成C相橋臂c。開關(guān)管S" S8串聯(lián)組成中性橋臂n，中性橋 臂也稱為公用橋臂。每個橋臂中，串聯(lián)的兩個開關(guān)管的連接點為橋臂 的輸出端。A相橋臂a、 B相橋臂b、 C相橋臂c分別與中性橋臂n組 成A相全橋逆變器、B相全橋逆變器、C相全橋逆變器。三個橋臂a、 b、 c的輸出端分別連接有濾波電感La、 Lb、 L。， A相橋臂a、 B相橋 鋝b、 C相橋臂c通過濾波電感L。、 Lb、 L。分別與-三相電網(wǎng)的A、 B、 C: 三相連接，公用橋臂n通過中性線濾波電感Ln與三相電網(wǎng)的中性點o 連接_。
在逆變主電路M中，三個橋臂a、 b、 c以及中性橋臂n的上下 端點分別連接在一起，形成三相四橋臂逆變器的直流母線，上端母線 為正極母線，下端母線為負(fù)極母線。儲能電容C設(shè)置在光伏陣列與逆 變主電路M之間，儲能電容C的正極與正極母線連接，其負(fù)極與負(fù)極 母線連接。為防止電網(wǎng)對光伏陣列反充電，在光伏陣列與儲能電容C 之間還設(shè)置有防反沖二極管D，其正極與光伏陣列連接，負(fù)極與儲能 電容C的正極連接。
本實用新型三相四橋臂逆變器的工作過程如下太陽能光伏陣 列將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)防反沖二極管D將電能存儲在儲能電容 C中，儲能電容C放電釋放的能量經(jīng)逆變主電路M逆變輸出交流電能 后經(jīng)濾波電感La、 Lb、 L。并入三相電網(wǎng)。
本實施例中，中性線濾波電感Ln可以改善整體濾波效果，抑制 中線電流開關(guān)紋波，減小三相輸出電壓的總諧波失真(THD)值。公 用橋臂n可直接控制中性點電壓，從而得到3個獨立電壓，具有固有 的不平衡處理能力，公用橋臂n為不平衡電流和零序電流提供了通 路，充分發(fā)揮在電網(wǎng)不平衡條件下調(diào)節(jié)三相輸出不平衡的作用。
圖2是本實用新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實施例中，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括三相四橋臂逆變器6、控制
器7、直流采樣及調(diào)理電路1、交流電流釆樣及調(diào)理電路2、過零檢 測電路4、交流電壓采樣及調(diào)理電路3、驅(qū)動電路5。其中，控制器7 采用高速數(shù)字信號處理器DSP TMS320F2812。
光伏陣列通過儲能電容C與三相四橋臂逆變器6的輸入端相連， 三相四橋臂逆變器6的輸出端通過濾波電感La、 Lb、 L。和中性線濾波 電感L分別與三相電網(wǎng)的A、 B、 C三相以及中性點連接。直流采樣及 調(diào)理電路1設(shè)在光伏陣列的輸出端，用以測量光伏陣列輸出的電壓和 電流信號，并將所獲的電信號傳送給控制器7進行處理，以實現(xiàn)對光 伏陣列最大功率跟蹤控制。交流電流采樣及調(diào)理電路2設(shè)置在三相四 橋ff逆變器6的輸出端，用以測荒三相四橋臂逆變器6輸出的三相電 流和中性線濾波電感電流，并將所獲得的電信號傳送給控制器7進行 處理，以對三相四橋臂逆變器6的輸出波形進行控制。交流電壓采樣 及調(diào)理電路3和過零檢測電路4設(shè)置在濾波電感La、 U、 L。以及中性 線濾波電感L與三相電網(wǎng)之間，交流電壓采樣及調(diào)理電路3用以測量 三相電網(wǎng)電壓，并將測得的信號傳送給控制器7進行處理，以實現(xiàn)對 輸入電網(wǎng)波形的控制。過零檢測電路4對三相電網(wǎng)的頻率和相位進行 檢測，并將檢測信號傳送給控制器7進行處理，以實現(xiàn)鎖相并網(wǎng)功能。 控制器7將直流采樣及調(diào)理電路1、交流電流采樣及調(diào)理電路2、交 流電壓采樣及調(diào)理電路3和過零檢測電路4采集的信號經(jīng)運算處理后 產(chǎn)生控制信號并將該控制信號傳送給驅(qū)動電路5，由驅(qū)動電路5驅(qū)動 三相四橋臂逆變器6中的逆變主電路M，使每一相都能獨立快速跟蹤 電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值的變化。
控制器7實現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤調(diào)節(jié)的方式是(1)當(dāng)增 加本實用新型逆變器的輸出功率(即加大并網(wǎng)電流)時，瞬態(tài)下儲能 電容C的電壓保持不變，太陽能電池板的輸出電壓暫時不變，光伏陣 列的輸出電壓與儲能電容C的電壓 一 致，太陽能電池板的輸出功率也 暫時不變。此時逆變器的輸出功率大于輸入功率，儲能電容C放電， 太陽能電池板的輸出電壓減小，太陽能電池板的輸出功率發(fā)生變化。 將此時太陽能電池板的輸出功率與調(diào)節(jié)前的輸出功率進行比較，如果輸出功率增加，則表明輸出功率隨著輸出電壓的減小而增加，工作點 位于最大功率點的右邊，調(diào)節(jié)方向正確，可繼續(xù)增加并網(wǎng)電流。若太 陽能電池板的輸出功率較調(diào)節(jié)前的小，則表明輸出功率隨著輸出電壓 的減小而減小，工作點位于最大功率點的左邊，調(diào)節(jié)方向錯誤，此時 太陽能電池板的輸出功率比調(diào)節(jié)前小，而逆變器的輸出功率卻比調(diào)節(jié) 前大，這是儲能電容C放電引起的，因此需減小并網(wǎng)電流。(2)當(dāng) 減小逆變器的輸出功率(即減小并網(wǎng)電流)時，瞬態(tài)下儲能電容C的 電壓不變，太陽能電池板的輸出電壓暫時不變，太陽能電池板的輸出 功率也暫時不變。此時逆變器輸出功率小于逆變器輸入功率，儲能電 容C充電，電池板的輸出電壓增大，將此時電池板的輸出功率與調(diào)節(jié) 前的輸出功率比較，如果增加，則表明電池板輸出功率隨著輸出電壓 的增大而增加，工作點位于最大功率點的左邊，調(diào)節(jié)方向正確，繼續(xù) 減小并網(wǎng)電流，此時逆變器的輸出功率比調(diào)節(jié)前小，.而太陽能電池板 的輸出功率卻比調(diào)節(jié)前大，這是因為電容充電引起的。如果太陽能電 池板的輸出功率較調(diào)節(jié)前的輸出功率小，貝Ij表明輸出功率隨著輸出電 壓的增大而減小，工作點位于最大功率點的右邊，調(diào)節(jié)方向錯誤，需 增大并網(wǎng)電流。如此反復(fù)不停的調(diào)節(jié)，可以使太陽能電池板輸出在最 大功率點。
權(quán)利要求1.一種用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器，其輸入端與光伏陣列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的橋臂(a、b、c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S1、S4/S3、S6/S5、S2)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點為各橋臂的輸出端，其特征在于該逆變器還包括有與所述三個橋臂(a、b、c)的兩端并聯(lián)的中性橋臂(n)，所述中性橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S7、S8)，所述兩開關(guān)管(S7、S8)的連接點構(gòu)成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于該三 相四橋臂逆變器還包括有三個濾波電感(La、 Lb、 L。)和中性線濾波 電感(L,,),所述三個濾波電感(La、 U、 分別接于三個橋臂(a、 b、 c)的輸出端和三相電網(wǎng)的輸入端之間，所述中性線濾波電感(L ) 接在中性橋臂(n)的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于該三 相四橋臂逆變器還包括有儲能電容(C)，所述儲能電容(C)并聯(lián)于 三個橋臂(a、 b、 c)的輸入端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相四橋臂逆變器，其特征在于在光 伏陣列和儲能電容(C)之間還串聯(lián)有防反沖二極管(D)。
5. —種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏并網(wǎng)逆變器，其特征在于 所述光伏并網(wǎng)逆變器采用權(quán)利要求l一4之一所述的三相四橋臂逆變 器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于該光 伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還包括有控制器(7)、用于測量光伏陣列輸出電壓和電流的直流采樣及調(diào)理電路(1)、用于測量三相四橋臂逆變器輸 出電流的交流電流采樣及調(diào)理電路(2)、對三相電網(wǎng)頻率和相位進 行檢測的過零檢測電路(4)、用于測量三相電網(wǎng)電壓的交流電壓采樣及調(diào)理電路(3)、以及三相四橋臂逆變器的驅(qū)動電路(5)，所述 直流采樣及調(diào)理電路(1)、交流電流采樣及調(diào)理電路(2)、過零檢 測電路(4)、交流電壓采樣及調(diào)理電路(3)分別與所述控制器(7) 的輸入端相連，控制器的輸出端通過驅(qū)動電路(5)與三相四橋臂逆 變器(6)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述 控制器(7)采jf:U)SP TMS32〔體]2。
專利摘要一種用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的三相四橋臂逆變器，其輸入端與光伏陣列相連，輸出端與三相電網(wǎng)相連，包括三個并聯(lián)的橋臂(a、b、c)，每個橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S₁、S₄/S₃、S₆/S₅、S₂)，串聯(lián)在一起的兩開關(guān)管的連接點為各橋臂的輸出端，還包括有與所述三個橋臂的兩端并聯(lián)的中性橋臂(n)，所述中性橋臂包括串聯(lián)的兩開關(guān)管(S₇、S₈)，所述兩開關(guān)管(S₇、S₈)的連接點構(gòu)成中性橋臂的輸出端，中性橋臂的輸出端與三相電網(wǎng)的中性線相連。一種包含有上述逆變器的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)不平衡情況有很強的適應(yīng)性，并網(wǎng)電流諧波含量極小。
文檔編號H02N6/00GK201435690SQ20092014899
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者劉偉增, 周洪偉, 阮少華 申請人:新疆新能源股份有限公司